Misure audio – quinta parte

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di Livio Argentini

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Dopo aver trattato il collegamento degli strumenti ai dispositivi e alcuni tra i principali test, ci apprestiamo ad effettuare un’altra analisi molto importante, anche se molto contestata: il test del rumore di fondo, indicato in modo più corretto come rapporto segnale/rumore. In seguito indicheremo questo parametro, per semplicità, semplicemente come “rumore”.
In questo articolo tratteremo delle misure più semplici, effettuabili in un normale laboratorio, ma con l’intento di scoprire parametri spesso non presi nella dovuta considerazione ed ottenere delle misure quanto più possibile reali.
Questo test è significativo per tutti gli amplificatori caratterizzati da un guadagno molto alto e da un basso livello di ingresso, in particolare i preamplificatori microfonici e i preamplificatori utilizzati per la somma (mix).
Ho scritto “molto contestato” per un motivo molto semplice: non mi risulta che ci siano normative specifiche per il test del rumore ed ognuno lo effettua con parametri diversi; questo porta a risultati spesso alterati e soprattutto all’impossibilità di effettuare una comparazione tra apparecchi diversi. Infatti è veramente raro leggere, tra le caratteristiche di un apparato, la modalità di misura del rumore.

Cominciamo con vedere in modo semplicistico come misurare il rumore.
Prendiamo come esempio un preamplificatore microfonico e impostiamo il guadagno a 60 dB. Ho scelto questo numero perché corrisponde ad un valore supportabile da tutti i preamplificatori e potrà fornire un livello di rumore abbastanza elevato da poterlo misurare anche con strumentazione non troppo sofisticata.
Per valutare con sufficiente precisione il guadagno del preamplificatore è possibile collegare in ingresso un generatore di segnale impostato a 1 kHz ed un millivoltmetro in uscita. Regoliamo il livello del generatore fino a leggere un livello comodo, diciamo +10 dBu, sul millivoltmetro. Misurando (o leggendo sul quadrante del generatore) il corrispondente livello di ingresso, sarà possibile facilmente ricavare il guadagno del dispositivo. A questo punto occorre disconnettere il generatore, chiudere l’ingresso come vedremo in seguito e controllare la lettura del millivoltmetro in assenza di segnale. Mettiamo, per ipotesi, che la lettura sia pari a −62 dBu: a questi dovremo sommare i 60 dB del guadagno dell’amplificatore ed otterremo il livello del rumore: −122 dB.
Molto semplice, in teoria, ma come al solito per correlare teoria e pratica esistono delle difficoltà da tenere in debito conto. Vediamo perché.
Primo problema: l’impedenza di ingresso, o più esattamente l’impedenza del generatore di segnale, nel nostro caso del microfono, con cui si chiude l’ingresso del preamplificatore. Il rumore totale generato da un amplificatore dipende in gran parte dal rumore generato dal primo stadio, perché viene poi amplificato da tutto il resto della catena. Questo rumore è condizionato dall’impedenza di ingresso: più questa è bassa, minore sarà il rumore. Come caso limite si pone l’ingresso in corto circuito (impedenza di sorgente pari a 0 Ω) ed in questo caso il rumore sarà minimo.
Purtroppo spesso vedo utilizzata questa modalità di misura perché permette evidentemente di dichiarare prestazioni migliori del reale. Questo espediente può anche essere comodo a livello marketing ma non rispecchia assolutamente le reali condizioni di funzionamento.
Per ottenere una misura significativa sarà necessario testare il preamplificatore nelle reali condizioni in cui deve essere utilizzato.
Considerando il caso di un amplificatore microfonico, questo è costruito per avere come sorgente un microfono che mediamente ha una impedenza di uscita di 200 Ω, (per alcuni modelli anche di 150 Ω o 600 Ω). È quindi importante misurare il rumore in queste condizioni.
Sarà necessario attrezzare il nostro laboratorio con una serie di resistori di valore appropriato per simulare le varie impedenze sorgenti (figura 1).
La soluzione più semplice è quella di inserire una resistenza all’interno di un connettore XLR. Normalmente per gli ingressi microfonici si utilizzano tre valori: 150 Ω, 200 Ω, 600 Ω.
Quando si effettua la misura del rumore, una volta disconnesso il generatore, si inserisce al suo posto il connettore con la resistenza appropriata e si può effettuare la misura in modo corretto.
Logicamente è della massima importanza utilizzare resistenze di precisione, a strato metallico e bassissimo rumore.
Questa metodologia è concettualmente valida per tutte tipologie di amplificatori, ma va adattata ai vari parametri di utilizzo.
Se dobbiamo testare un amplificatore di linea, utilizzato per amplificare strumenti musicali, quindi con impedenza di ingresso notevolmente alta (da 10 kΩ a 100 kΩ) dovremo caricare l’ingresso con un’impedenza pari all’impedenza di uscita degli strumenti. Poiché questa varia notevolmente tra i vari strumenti, si utilizzerà un valore medio, normalmente 10 kΩ.
Una nota particolare riguarda gli amplificatori sommatori: anche questi, lavorando con guadagno molto alto, possono generare una significativa quantità di rumore. Gli amplificatori sommatori sono generalmente di due tipologie: attivi o passivi. In entrambe queste tipologie di circuiti, l’impedenza sorgente non avrà nessun impatto sulla misura.
Una volta quantificato il livello del rumore sarà importante analizzarne la natura, tramite un’analisi spettrale dello stesso. Questo è facilmente realizzabile con un analizzatore di spettro, ma in mancanza sarà possibile utilizzare un normale oscilloscopio, anche se l’analisi non sarà cosi chiara.
Prima di tutto, sarà il caso di controllare l’eventuale presenza di componenti a 50 Hz o a 100 Hz, che tipicamente rappresentano rumore indotto da disturbi dovuti alla rete, a causa di insufficiente schermatura oppure a non corrette connessioni di massa (figura 2).
In secondo luogo occorre controllare la presenza di evidenti disturbi a frequenza medio/alta dovuti a possibili auto-oscillazioni (figura 3), oppure rumore a frequenza molto alta dovuto a disturbi a radiofrequenza (figura 4).
Questi tre grafici sono stilizzati e semplificati, servono solo per evidenziare possibili situazioni.
Superata questa prima fase, riguardante rumori di carattere anomalo, che logicamente dovranno essere eliminati, è importante anche capire che impatto avrà il rumore sul nostro sistema uditivo.
Per questo saremo costretti a tornare un po’ indietro nel tempo. Negli anni ‘30 e ‘40 del secolo scorso, studi condotti da Fletcher e Munson portarono a tracciare delle curve riguardanti la sensibilità dell’orecchio umano alle varie frequenze ed ai vari livelli sonori (figura 5). Queste curve, in seguito aggiornate in base studi più recenti ed esatti, sono catalogate come curve ISO.
Queste curve indicano chiaramente che il nostro orecchio, più è basso il livello di ascolto, più è sensibile alle frequenze medie e molto meno alle frequenze basse e molto alte.
La maggior parte degli amplificatori HI-FI, oltre al controllo del volume dispongono di un controllo (denominato loudness) che modifica la curve di risposta secondo le curve di Fletcher e Munson in funzione del livello di ascolto, per compensare la sensibilità del nostro orecchio.
È anche doveroso notare che negli impianti di ultima generazione il controllo del loudness è praticamente sparito. Probabilmente per due motivi: la ricerca della massima linearità e l’abitudine moderna di ascoltare sempre la musica ai massimi livelli consentiti.
Ritornando alla nostre misure: alcuni strumenti, più sofisticati, dispongono di filtri di pesatura per la misura del rumore. Questi filtri – normalmente denominati A, B, C e D – realizzano un filtraggio secondo curve approssimativamente inverse alle curve Fletcher e Munson. Per la misura del rumore in banda audio, come descritto sopra, viene praticamente utilizzata solo la curva B (di colore blu in figura 6).
Utilizzando questi filtri si ottiene un valore numerico del livello di rumore, il quale indica, più ragionevolmente, non solo il livello puramente elettrico, ma anche il livello percettivo.
Inserendo i filtri di pesatura, si ottiene un valore del rumore generalmente più basso, a causa dell’attenuazione delle frequenze basse e alte.
L’utilizzo dei filtri di pesatura, molto diffuso negli anni passati, specialmente sulle apparecchiature a valvole, dove lo spettro del rumore era molto irregolare, trova un utilizzo sempre più ridotto. Oggi è ben difficile trovare, sulle specifiche tecniche, indicazione dell’uso di filtri di pesatura. È anche vero che, mentre nelle apparecchiature di vecchia generazione la differenza tra la misura pesata e non pesata poteva anche risultare notevole, nei circuiti più recenti questa differenza si è ridotta notevolmente.

 

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